Zasięg cząstek alfa

Cząstki alfa mają najmniejszą przenikliwość spośród wszystkich rodzajów promieniowania jonizującego. Zatrzymać je może kilka centymetrów powietrza, kartka papieru lub zewnętrzna warstwa naskórka człowieka [LINK].

Szczególnie motyw kartki papieru jako zapory przeciw cząstkom alfa jest bardzo często przytaczany w literaturze, zwłaszcza popularnej i różnego rodzaju infografikach. Postanowiłem więc potwierdzić eksperymentalnie ten bardzo obrazowy przykład, szczególnie że określenie „kartka papieru” jest dość nieprecyzyjne. Papier występuje bowiem w różnych gramaturach, od cienkiego np. „przebitkowego” lub „biblijnego” aż po gruby brystol. 

Wybrałem więc kilka rodzajów papieru i innych cienkich materiałów:

• papier uniwersalny firmy Idest - gramatura deklarowana i zmierzona 80 g/m2
• stary papier przebitkowy - gramatura zmierzona 35 g/m2
• papier gazetowy ("Wyborcza") - gramatura zmierzona 47 g/m2
• ręczniczek papierowy - gramatura zmierzona 38 g/m2
• papier toaletowy - gramatura zmierzona 47 g/m2
• torebka śniadaniowa z polietylenu (tzw. zrywka)
• kuchenny woreczek strunowy z Ikei
• tkanina bawełniana ze starego prześcieradła

Gramaturę mierzyłem, ważąc fragment papieru na wadze o rozdzielczości 0,01 g, a następnie dzieląc masę przez powierzchnię przeliczoną na m2.

Detektorem promieniowania była sonda scyntylacyjna SSU-3 ze scyntylatorem ZnS(Ag). Pozwala on na selektywny pomiar samej emisji alfa, bez towarzyszącego jej często promieniowania gamma i beta. Sondę podłączyłem do radiometru UDR-2 pracującego w trybie przelicznika, czyli zliczającego impulsy przez określony czas: 3 sekundy dla większych aktywności i 20 s dla mniejszych. Krótki czas pomiaru pozwolił uniknąć niepotrzebnego przeciążania detektora i zużywania scyntylatora przy wyższych aktywnościach. 

Pomiary prowadziłem na kilku źródłach. Zacząłem od Am-241 z czujnika dymu. Jest to najłatwiej dostępne źródło cząstek alfa, dostępne dla naukowca amatora, przestrzegam jednak przed samodzielnym demontażem czujek z uwagi na możliwość skażenia. Ameryk-241 emituje cząstki alfa (ok. 5,4 MeV) oraz niskoenergetyczne kwanty gamma (59 keV).

Jak widać, cienka folia polietylenowa, z jakiej wykonuje się woreczki śniadaniowe, przepuszcza 1/3 cząstek alfa emitowanych przez Am-241.

Kolejnym źródłem był tor-232, obecny w soczewce od obiektywu z torowanego szkła oraz w siateczce Auera do lamp gazowych. Użyłem siateczki marki Geniol, mającej postać "skarpetki", bez środkowego ściągacza charakterystycznego dla typowych siateczek "Luxor" i "Valor", co zapewniło lepsze przyleganie scyntylatora do źródła. 

Kopertka z cienkiego papieru stanowiła dodatkowy materiał osłonny, którego przepuszczalność zbadałem podczas testu:

W powyższych wynikach widać pewne różnice w przenikliwości cząstek alfa emitowany przez Th-232 z siateczki i z soczewki. Wynikają one z kilku czynników:

• znacznej różnicy w gęstości szkła i bawełny - ze szklanej soczewki wydostaje się mniej cząstek, zaś te, które opuszczą źródło, mają niższą energię niż te wydostające się z bawełnianej soczewki
• różnicy w porowatości powierzchni - szkło jest gładkie i jednolite, zatem cząstki alfa o najwyższej energii wydostaną się tylko z cienkiej warstwy przy powierzchni, z kolei poszczególne nitki siateczki są na tyle wąskie, że więcej cząstek wydostaje się z powierzchni
• różnicy w kształcie źródła - soczewka jest wypukła, zatem dystans między jej brzegami a detektorem będzie mniejszy niż na środku, co dodaje dodatkową warstwę powietrza

Zrezygnowałem z użycia wskazówek i tarcz zegarków z Ra-226 z uwagi na znaczne ryzyko skażenia drobinami farby oraz produktami rozpadu radonu - i Wam również to odradzam! 

Podczas powyższych eksperymentów zbadałem również zasięg cząstek alfa w powietrzu, a także przetestowałem stopień przenikania przez typowe kopertki od koszulek Auera firmy Luxor (papierowe) i Valor (celofanowe):

Powyższe eksperymenty wykazują, że typowa kartka papieru, używanego np. do drukarek, zatrzymuje przeważającą większość cząstek alfa o typowych energiach (~5 MeV) ze źródeł o małych aktywnościach (ok. 16 kBq), pojedyncze jednak są w stanie się przez nią przedostać. Twierdzenie zawarte w licznych podręcznikach i prezentacjach jest więc w tym przypadku słuszne. Jednak cieńsze gatunki papieru (gazetowy, przebitkowy) mają mniejszą zdolność pochłaniania cząstek alfa i trudno tu mówić o stuprocentowej absorpcji. Różnice w gramaturze mają wyraźny wpływ na krotność osłabienia promieniowania alfa, zależność ta jednak zależy też od technologii produkcji danego papieru, m.in. dodatku różnych substancji.

Eksperyment pokazał też, że nawet niewielkie różnice w grubości osłony powodują znaczne zmiany jej przepuszczalności dla cząstek alfa. W ten sposób można przedstawić zasadę działania izotopowych mierników grubości, a także wag, wykorzystujących metodę absorpcyjną. W urządzeniach tych zwykle stosowane są emitery promieniowania beta oraz gamma z racji większej przenikliwości, pozwalającej na pomiary większych grubości. Stosowano jednak też mierniki z emiterami cząstek alfa, głównie ze wspomnianym Am-241, ale o znacznie większych aktywnościach, pozwalających na pomiar grubości blach stalowych do 3 mm grubości:

• izotopowy miernik grubości blach ZP-3 (30 mCi = 1110 MBq
• izotopowy miernik grubości tafli szklanej ZPU-201 (30 mCi =1110 MBq)
• miernik blach zimnych typ 1208 (100 mCi = 3700 MBq przy pomiarach blach do 3 mm lub źródło beta-X, służące do pomiarów grubości do 5 mm)

Jak widać, oprócz energii promieniowania, istotna jest również aktywność źródła - jeśli przez papier gazetowy przedostaje się 0,25% cząstek alfa emitowanych przez 16 kBq Am-241, to jak dużo cząstek przedostanie się ze źródła 69 tys. razy bardziej aktywnego?  Przy tak dużej aktywności część cząstek będzie w stanie nawet pokonać cienką blachę, co czyni wyłom w utartym poglądzie o "kartce papieru". Więcej o izotopowych miernikach grubości (i nie tylko) napisałem w osobnej notce [LINK].